Химики впервые получили композитный органический двумерный материал, который расширяется при облучении светом за счет переноса электронов от одного типа молекул в кристалле к другому. Этот перенос становится причиной изменения конформации молекулярного комплекса внутри пленки, что приводит к изменению ее толщины, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.

При создании механических сенсоров часто используются материалы, которые меняют свой размеров под влиянием внешнего неконтактного воздействия, в частности, при приложении электрического или магнитного поля. Расширение этих материалов происходит за счет электрострикционных или магнитостфрикционных свойств, соответственно, и встречается не так редко. Значительно более редкий тип подобного изменения формы — фотострикция, при которой деформация кристалла происходит за счет облучения его светом. Такое поведение характерно для некоторых неполярных полупроводников, пьезоэлектриков или органических полимеров, однако для всех этих материалов эффект довольно слабый и не превышает единиц процентов. Известно, что к фотострикционному эффекту приводит изменение длины химических связей под действием света, однако точные его механизмы, особенно в новых классах материалов, остаются до конца не изученными.

Химики из США и Китая под руководством Шэньцяна Жэня (Shenqiang Ren) из Университета штата Нью-Йорк в Буффало обнаружили, что фотострикционный эффект характерен для еще одного класса материалов — комплексных органических двумерных нанопленок, состоящих из молекул дибензотетратиофульвалена (ДБТТФ) и молекул фуллерена C60. Из-за особенностей геометрии молекул ДБТТФ и сильного взаимодействия между ДБТТФ и фуллереном, такой композит образует двумерные кристаллические слои толщиной в несколько десятков нанометров. В этой кристаллической структуре молекулы ДБТТФ и фуллерена чередуются, при этом первая выступает в качестве донора электронов, а вторая — в качестве акцептора. Стоит отметить, что в отличие от, например, неорганических кристаллов молекулы в такой органической двумерной структуре связаны между собой довольно слабыми и длинными связями (в частности, водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса), что значительно облегчает возможность деформировать такую пленку.

Схема синтеза комплексной органической пленки из молекул ДБТТФ и фуллерена и изображение ее структуры. Z. Zhang et al./ PNAS, 2018

Оказалось, что облучение такого кристалла светом в видимом диапазоне приводит к переносу электрона от ДБТТФ к фуллерену и становится причиной изменения пространственной структуры молекулы ДБТТФ. Если изначально до облучения молекула находится в одной из двух изогнутых конформаций (в зависимости от толщины пленки это может быть конформация «ванны», в которой два ее края загнуты в одну сторону, или конформация «кресла», в которой края молекулы загнуты в противоположные стороны), то облучение светом приводит к переходу молекулы в плоское состояние. Этот переход немного раздвигает друг от друга отдельные элементы комплексного соединения и, соответственно, увеличивает расстояние между слоями внутри кристалла, что приводит к росту толщины пленки.

Слева — изменение конформации молекулы ДБТТФ в кристалле при облучении ее светом. Справа — зависимость относительного изменения толщины пленки от интенсивности облучения. Ren Group / University at Buffalo

При этом в зависимости от интенсивности облучения меняется соотношение молекул разных конформаций, и соответственно, меняется относительная деформация пленки. Максимальная деформация, которой удалось добиться с помощью облучения этого материала светом, составила 5,7 процента, что значительно больше, чем для известных неорганических фотострикционных материалов. При этом отдельным важным параметром этого материала ученые называют короткое время отклика. Так, переход между двумя состояниями занимает около 6–8 миллисекунд после включения или выключения света.

По словам авторов исследования, в будущем подобные органические фотострикционные материалы можно будет использовать, например, в качестве двумерных механических микросенсоров или актуаторов. Поскольку эти пленки контролируемо (и при этом достаточно сильно) деформируются при облучении, а кроме этого, обладают гибкостью и коротким временем отклика, они могут стать важным материалом как для фундаментальных, так и практических приложений.

Чтобы с помощью облучения светом изменить геометрию двумерных кристаллов, можно использовать самые разнообразные подходы. Например, за счет взаимодействия света с дефектами в графене ученым удалось локально «надуть» двумерный плоский кристалл, создав в нем объемные области в форме пирамид и полусфер. А покрыв графен полимерными полосками, китайские химики разработали технологию сгибания графена с помощью инфракрасного излучения.

Автор: Александр Дубов